基于能量控制方法的航天器TAEM制导仿真

末端能量管理段制导的主要目的是控制航天器的动能和势能,使航天器最终达到着陆段初始要求。采用能量控制方法来设计制导方案,分析了末端能量管理制导的过程及原理,在制导系统引入能量-射程基准剖面,通过调整飞行距离、动压或速度制动使航天器达到基准的能量状态。将末端能量管理段划分为S-转弯、搜索飞行、航向校正飞行和着陆前飞行4个飞行段进行研究。以某航天器为仿真实例,对末端能量管理段制导过程进行动力学仿真。仿真结果表明所提出的基于能量的制导方案具有良好的制导效果。

一种TAEM段结合迭代校正的轨迹快速生成算法

重复使用运载器(RLV)到达末端能量管理段(TAEM)接口处时,其位置、航迹倾角等初始状态存在大范围摄动的情况,为了使其在此情况下顺利进入自动着陆窗口,提出了一种结合迭代校正法的轨迹快速生成算法.首先根据高度与速度约束生成参考动压-高度剖面,通过跟踪此剖面实现纵向制导;通过跟踪由3个参数定义的轨迹地面投影实现侧向制导,纵向制导和侧向制导可以保证RLV的速度、航迹倾角、航迹偏角、侧向位置满足末端约束.提出的迭代校正算法可以快速确定航向校准柱的位置与最终半径这两个参数用以调整航程,从而保证末端所有状态均满足自动着陆段接口处的边界约束.仿真结果表明:该算法可以根据RLV具体的初始状态,自动选择直接或者间接进场策略,并快速生成可行的参考轨迹,轨迹生成时间4~12 s.该算法使用的数值方法非常成熟与稳定,易于工程实现;与航天飞机的策略相比,该算法不依赖离线计算并存储的若干参考轨迹,可根据当时的状态自主生成新的参考轨迹.仿真结果验证了算法的快速性、鲁棒性与实用性.

RLV末端能量管理段的在线轨迹规划算法

针对传统的可重复使用运载器(reusable launch vehicle,RLV)末端能量管理段轨迹生成算法存在的在线规划能力有限和制导精度不够的问题,提出了一种基于内核提取协议和微分平坦理论的三维在线轨迹规划算法。首先,推导给出了以高度为自变量、动压为状态变量的RLV三自由度运动方程组;然后,利用新方程组的平坦特性,选取纵程、横程和动压为相应的平坦输出,建立了不包含微分方程的最优控制问题;随后,采用分段B样条参数化平坦输出,将最优控制问题离散化得到非线性规划问题;最后,采用基于序列二次规划算法的稀疏非线性优化器进行求解。仿真结果验证了该末端能量管理段在线轨迹规划算法的有效性。

RLV末端能量管理段三维制导轨迹推演研究

研究了重复使用运载器(reusable launch vehicle,RLV)末端能量管理段(terminal area energy manage-ment,TAEM)三维制导轨迹推演算法。根据初始点和终点的位置、航向、动压,规划动压参考剖面和横侧向参考轨迹,采用基于高度的质点动力学方程推演生成符合过载、动压、终点位置和航向约束条件的三维制导轨迹。横侧向参考轨迹的设计可以分成两步:第一步,消除横向的位置误差,同时减小纵向的位置误差;第二步,消除纵向的位置误差。根据纵向位置误差大小,组合使用三种模态的轨迹予以消除,节省了计算量。仿真计算显示,三维制导轨迹推演算法具有快速、准确、对初始点位置和航向分布鲁棒性强的特点,为在线轨迹设计提供了基础算法。

升力式再入飞行器末端能量管理方法

以第二代升力式再入飞行器为应用背景,对飞行器再入飞行后的末端能量管理方法进行了深入的研究和分析.在参考航天飞机末端能量管理方法的基础上,分析了TAEM段轨迹参数,优化设计了TAEM段地面轨迹和高度剖面,并进行了纵向和侧向制导律设计.仿真结果表明本文设计的TAEM飞行轨迹满足飞行约束条件,制导方法具有较高的精度和适应性,能满足第二代升力式再入飞行器末端能量管理要求.

航天飞机末端能量管理段在线轨迹设计方法

研究了航天飞机末端能量管理段飞行轨迹的一种在线设计新方法。根据飞行器当前的能量状态及相对于机场的位置,选取合适的动压变化规律,并以纵、横航向耦合的质心运动方程为基础,采用蛇形机动原理和轨迹推演技术优化横向机动方案,设计生成飞行轨迹,保证飞行器安全、精确进入自动着陆窗口。仿真显示,该方法具有在线生成、快速、精确、鲁棒性强等特点,可用于异常情况下返回轨迹的设计。

末端能量管理段轨迹生成改进算法

改进再入飞行器能量管理阶段轨迹生成算法,以高度为独立变量的三自由度方程为出发方程,根据地面轨迹长度和横侧机动能力确定动压剖面。将迭代算法改进为递推算法,计算不同固定滚转角下所需的纵向指令,使用三步逐点转动地面轨迹的方法依次消除航向角、横程和纵程的终端偏差,最终生成符合飞行器动力学特性的轨迹以及相应的制导指令。三自由度仿真表明:算法合理地考虑了飞行器纵横向耦合的特性,使得生成的轨迹与相应指令相匹配。调整动压剖面有效地改变返场区域,增强了对于初始条件的适应性。

一种基于在线能量推演的自适应末端能量管理方法

新一代RLV要求末端能量管理(TAEM)可适应较大的窗口能量偏差,且BTT模式使飞行器的纵向和横侧向耦合严重,高度-速度难以协调控制。针对此问题,文章提出了一种基于在线能量推演的强自适应TAEM方法。该方法的"直接进入柱面可变"能量管理模式利用能量推演计算手段在线生成期望的能量-航程剖面,基于该剖面在线规划飞行轨迹和航向校正圆,使TAEM轨迹自适应窗口能量的不确定性,且易于实现高度速度协调控制。随后将弹道跟踪问题转化为模型预测静态规划(MPSP)问题,基于优化理论设计了在线迭代自适应制导律,解决了该模式在扰动条件下的轨迹自适应跟踪问题。3DOF仿真表明:该方法具有很好的快速在线能力和末端精度,在TAEM窗口能量扰动±25%的范围内均能保证飞行器安全进入自动着陆窗口,末端速度偏差小于10 m/s,高度偏差小于350 m,横向偏差小于150 m。

重复使用运载器末端区域能量管理段三维制导轨迹在线推演研究

研究了重复使用运载器(RLV)末端区域能量管理段(TAEM)三维制导轨迹在线推演算法。根据RLV当前动压、位置和航向,规划动压参考剖面和横侧向参考轨迹,采用基于高度的质点动力学方程在线推演出满足过载、动压约束以及终点动压、位置和航向要求的三维轨迹。横侧向参考轨迹规划分为2个阶段,即消除横向位置误差兼顾减小纵向位置误差阶段和消除纵向位置误差阶段,提出了组合使用3种模态消除纵向位置误差的新方法。对于三维轨迹推演,提出了采用航迹倾斜角补偿法二次推演三维轨迹的新算法,修正终点位置误差超过自动着陆(ALI)容许范围的三维制导轨迹,使误差进入容许范围。仿真计算结果显示,该三维轨迹在线推演算法具有快速、准确、对初始点位置和航向分布鲁棒性强的特点。

重复使用运载器末端区域能量管理轨迹鲁棒性分析

为研究重复使用运载器末端区域能量管理段下滑轨迹线的鲁棒性,提出一种基于质点动力学的轨迹鲁棒性分析方法。首先给出基于质点动力学的轨迹设计方法,根据轨迹设计的原理,提出TAEM轨迹鲁棒性的概念,给出了影响TAEM轨迹鲁棒性的不确定性因素。然后定义了能量梯度,将能量梯度作为评价能量积累和消耗能力的指标,并分析了影响能量梯度的主要因素。接着给出了末端区域能量管理轨迹鲁棒性的分析方法。最后,以某重复使用运载器(RLV)为例,分析了建模不确定性对能量走廊和标称轨迹剖面的影响。

重复使用运载器末端能量管理段制导系统仿真

为了对重复使用运载器末端能量管理段制导系统进行研究,根据末端能量管理段的制导策略,搭建了集成的、具有层次结构的制导系统仿真结构,将Matlab/Simulink、Stateflow和GUI有机结合起来,建立了易于维护和扩展的伪5自由度仿真环境。利用伪5自由度仿真环境对末端能量管理段的制导策略和制导规律进行了非线性仿真,结果表明了制导策略的合理性以及RLV伪5自由度非线性仿真环境的通用性和实用性。

RLV末端能量管理段的轨迹规划及制导策略研究

针对传统的可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle,RLV)在末端能量管理段(Terminal Area Energy Management,TAEM)存在的轨迹自适应能力不足和制导精度不够的问题,提出了一种TAEM三维轨迹规划算法及横向制导策略。首先,设计了纵向动压剖面和由3个参数决定的分段地面轨迹;其次,迭代基于内核提取协议(Kernel Extraction Protocol,KEP)的运动方程组,并设计了纵向位置校正算法,增强了对不同初始能量的自适应能力;最后,通过建立横向轨迹跟踪的数学模型,设计了航向校准和预着陆子阶段的开环和闭环横向制导律。仿真验证了轨迹规划和制导策略的有效性。

RLV末端能量管理段轨迹实时生成算法研究

采用类似于航天飞机的末端能量管理段飞行轨迹结构,将可重复使用空间飞行器(RLV)飞行轨迹分为搜索飞行、航向校正以及预着陆飞行三段进行待飞距预测,并利用三次多项式表示飞行器高度-待飞距剖面。通过调节航向校正锥位置和半径的方法调整待飞距,提出了RLV末端能量管理段飞行轨迹的实时生成算法。该算法考虑了整个末端能量管理飞行阶段的轨迹约束,给定末端能量管理段的起始条件,能实时筛选并生成一条满足要求的参考轨迹线。计算结果验证了该方法的合理性。

一种改进的末端区域能量管理轨迹设计与制导方法

末端区域能量管理是重复使用运载器实现精确无动力水平着陆非常重要的一个飞行阶段。本文将末端区域能量管理段水平轨迹和纵向轨迹分开设计,参数化的水平轨迹设计包含3个校正圆,以实现航向、航程以及位置的精确调整;纵向轨迹采用2段二次高度-航程曲线以实现对高度和速度的控制。在此基础上,给出了水平和纵向轨迹的跟踪制导方法。仿真结果及其分析表明该轨迹设计方法可以灵活地设计末端区域能量管理段的标称轨迹,且制导方法能够实现标称轨迹的良好跟踪。

终端能量管理阶段动态逆轨迹控制仿真研究

针对终端能量管理阶段的轨迹控制任务,设计了适用于一种在线轨迹生成算法的俯仰、横航向和动压三通道制导律,其中俯仰通道的双回路控制器设计中使用了动态逆方法。建立了反映内回路特性的三自由度仿真模型以及针对飞行任务的控制系统分析方法,并使用上述方法分析了内回路动态特性、气动力、质量不确定性和常值风场等对轨迹控制效果的影响,三自由度仿真验证了轨迹生成和控制方法的可行性和鲁棒性。

重复使用运载器末端能量管理段横侧向参考轨迹规划

根据重复使用运载器末端能量管理段的初始位置,采用蛇形机动原理规划横侧向参考轨迹,即消除初始位置误差并使轨迹终点进入自动着陆窗口.将初始位置误差分解为横向和纵向误差,分阶段予以消除.在消除横向误差阶段,提出消除横向误差同时兼顾减小纵向误差的轨迹形式.在消除纵向误差阶段,根据误差大小采用相应轨迹模态形式予以消除.仿真结果显示,该算法具有快速、准确、鲁棒性强的特点.作为TAEM段三维制导轨迹生成的核心部分,横侧向参考轨迹算法为应急情况下的在线轨迹生成提供了基础算法.

航天飞机末端区域能量管理段航程设计研究

末端区域能量管理段的主要目的是控制航天飞机的动能和势能,并最终达到进场着陆段的初始要求,以保证最终成功着陆。制导系统通过能量、速度和侧向轨迹的控制,使航天飞机达到标准的能量状态。而航程设计是制导系统的基础,制导系统中控制指令的产生都依赖于航程预测,因此,设计预测航程对航天飞机顺利完成末区能量管理段的飞行至关重要。所采用的制导方法是将末端区域能量管理段划分为四个飞行段,即S形转弯段、捕获段、航向校准段及进场前飞行段。分别对四段进行了预测航程设计,并给出了仿真实例。仿真结果表明所设计的航程能够使航天飞机很好地完成末区能量管理段的飞行,具有较高的工程实现价值。

航天飞机末端区域能量管理段制导技术概述

末端区域能量管理段主要是控制航天飞机的动能和势能,使航天飞机最终达到进场着陆段的初始要求,以保证其最终成功着陆。在最终制导系统引入一个能量基准剖面,通过调整飞行距离、动压或速度制动使航天飞机达到标准的能量状态。将末端区域能量管理段划分为四个飞行段,并对这四个飞行段的基本设计思想、制导技术及过程进行了研究。经过实际的航天飞机飞行验证,证明这种方案具有良好的制导效果。

一种RLV末端能量管理段的轨迹实时规划方法

提出了一种能适应较大初始误差,使可重复使用运载器（reusablelaunch vehicle,RLV）最终达到自动着陆段初始要求的末端能量管理段（terminal ar-ea energy management,TAEM）的轨迹规划方法。该方法基于二次多项式形式的动压剖面,只需任意选取2个末端能量管理段的几何参数值,就可以规划出一条满足末端能量管理段终端约束的轨迹,同时航向调整圆锥位置和进场方式可调节。仿真结果表明：所提的轨迹规划方法能够实时生成一条满足要求的参考轨迹线,验证了该方法的合理性。

亚轨道飞行器能量管理段在线轨迹设计及仿真

对亚轨道飞行器能量管理段在线轨迹生成方案进行了研究。该方案将地面投影几何轨迹参数化,通过迭代计算参数生成标准轨迹,验证轨迹可行性并选择最优轨迹。经仿真验证,该方案能够在较短时间内完成轨迹的在线生成,结果满足进场着陆要求。